Рабочая программа учебной дисциплины "управление техническими системами (специальные главы)"

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ИНСТИТУТ ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИЯ И МЕХАНИКИ (ЭнМИ)
___________________________________________________________________________________________________________

Направление подготовки: 141100 Энергетическое машиностроение

Профиль(и) подготовки: Автоматизированные гидравлические и пневматические системы и агрегаты

Квалификация (степень) выпускника: бакалавр

Форма обучения: очная

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

"УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

(специальные главы)"

Цикл:	профессиональный
Часть цикла:	вариативная
№ дисциплины по учебному плану:	ЭнМИ; Б 2.14.1
Часов (всего) по учебному плану:	144
Трудоемкость в зачетных единицах:	4	8 семестр – 4
Лекции	30 час	8 семестр
Практические занятия	15 час	8 семестр
Лабораторные работы	15 часов	8 семестр
Расчетные задания, рефераты	12 часов самостоятельной работы	8 семестр
Объем самостоятельной работы по учебному плану (всего)	84 часа	8 семестр
Экзамены		8 семестр
Курсовые проекты (работы)

Москва - 2010

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью дисциплины является освоение и практическое применение студентами расчетно-теоретических методов исследования динамики, методик инженерного оптимизационного синтеза конкурентоспособных устройств нелинейных и дискретных систем автоматического управления и регулирования объектов энергетического машиностроения.

По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:

Самостоятельно работать и принимать решения в рамках своей профессиональной деятельности на базе основополагающих линейной теории управления сложными объектами и существа системного подхода к исследованию их динамики в процессах регулирования (ОК-7);
Анализировать достигнутые результаты в предметной области дисциплины, публично выступать, аргументировано вести дискуссию и полемику на основе знаний фундаментальных и локальных законов преобразований и движений функций поля и вещества, в том числе, в нелинейных и импульсных устройствах управления техническими системами (ОК-12);
Изучать и компетентно анализировать научно-техническую информацию, отечественный и зарубежный опыт разработок технических систем управления объектами энергомашиностроения с использованием освоенного математического формализма и компьютерно-информационного обеспечения для моделирования процессов регулирования при наличии нелинейных и дискретно действующих динамических звеньев (ОК-11), (ПК-6);
Принимать и обосновывать конкретные технические решения при создании элементов управления объектами энергетического машиностроения (ПК-10);
Вести проектно-конструкторскую деятельность и эффективно использовать информацию о новых методах синтеза нелинейных, либо импульсно действующих устройств оптимизированных систем автоматического регулирования техническими устройствами в предметной области работы (ПК-1, ПК-17, ПК-28).

Задачами дисциплины являются:

Обеспечение необходимых и достаточных педагогических, системно-методических и материальных условий для успешного освоения обучающимися фундаментальных и прикладных разделов дисциплины (ПК-2);
Формирование полной возможности профессионального владения выпускниками теоретическими основаниями и практическими методами анализа динамики и синтеза оптимизированных по определяющим показателям работоспособности и качества в нелинейной или дискретной постановке технических систем автоматического управления в области энергетического машиностроения (ПК-10, ПК-14);
Достижение у обучающихся способности самостоятельной разработки конкурентоспособных элементов систем автоматического регулирования энергетических объектов (ОК-7, ПК-9).

Процесс изучения дисциплины направлен на выполнение указанных задач и, как следствие, выполнение выставленных целей.

2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО

Дисциплина относится к вариативной части основной образовательной программы подготовки бакалавров по профилю "Автоматизированные гидравлические и пневматические системы и агрегаты" направления 141100 Энергетическое машиностроение.

Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: «Физика», «Высшая математика», «Теоретическая механика», «Механика жидкости и газа».

Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при изучении дисциплин «Автоматическое регулирование энергоустановок», «Гидропривод и гидропневмоавтоматика в системах управления», «Динамика и регулирование гидро и пневмосистем», «Средства автоматика в гидро- и пневмосистемах», а также при выполнении бакалаврской выпускной квалификационной работы и освоения программ инженерной и магистерской подготовки.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны:

Знать:

основные источники научно-технической информации в предметной области дисциплины (ОК-7, ПК-6);
основополагающие понятия теории нелинейных и дискретных систем управления сложными объектами, существо системного подхода к исследованию их динамики в процессах регулирования (ОК-7);
фундаментальные и локальные законы преобразований и движений поля и вещества в нелинейных и импульсных элементах управления техническими системами (ОК-12);
математический формализм и компьютерно-информационное обеспечение моделирования динамических процессов регулирования в нелинейной и дискретной постановках (ПК-6);
существо методов оптимального управления и современные методики синтеза нелинейных и импульсных устройств в оптимизированных системах регулирования технических систем (ПК-17, ПК-28);

Уметь:

разрабатывать физическую и математическую модель динамики нелинейных и локально дискретно действующих технических систем управления (ПК-25);
корректно поставить и компьютерно реализовать исследовательские задачи определения работоспособности и качественных показателей систем регулирования с нелинейными и дискретно действующими динамическими звеньями (ПК-10);
осуществлять в нелинейной постановке структурно-параметрическую оптимизацию функционирования основных элементов технической системы в типовых режимах работы объектов регулирования (ПК-6).

Владеть практическими навыками:

использования предметной терминологии, поиска информации, ведения дискуссии по профессиональной тематике (ОК-2, ОК-12, ПК-6);
расчетно-теоретического анализа динамического состояния нелинейных и дискретных систем автоматического регулирования с установлением их энергообеспеченности, устойчивости, выполнения целевых функций и показателей качества (ПК-6);
инженерной оптимизации при наличии нелинейных и импульсных динамических звеньев конкретных исполнительных подсистем гидрофицированных систем регулирования сложных объектов с достижением конкурентоспособных свойств (ПК-10).

4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

4.1 Структура дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единицы, 144 часа.

№ п/п	Раздел дисциплины. Форма промежуточной аттестации (по семестрам)	Всего часов на раздел	Семестр	Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)				Формы текущего контроля успеваемости (по разделам)
№ п/п		Всего часов на раздел	Семестр	лк	пр	лаб	сам.	Формы текущего контроля успеваемости (по разделам)
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Нелинейные САР (Н/САР), характерные нелинейности	16	8	4	2	2	8	Тест: Типовые нелинейности: терминология
2	Точные методы исследования динамики Н/САР	21	8	6	2	3	10	Решение задач, защита лабораторных работ
3	Приближенные методы исследования Н/САР, формализм метода гармонической линеаризации нелинейностей	17	8	4	3	2	8	Решение задач, выполнение расчетного задания
4	Исследование устойчивости и автоколебаний гармонически линеаризованных Н/САР	26	8	6	4	4	12	Решение задач, выполнение расчетного задания, защита лабораторных работ
5	Дискретные САР (Д/САР) и способы модуляции импульсных сигналов	22	8	6	2	2	12	Выполнение расчетного задания, контрольная работа
6	Разностные уравнения, Z-преобразование и его применение	18	8	4	2	2	10	Завершение выполнения расчетного задания, защита лабораторных работ
	Зачет	2	8				2
	Экзамен	22	8				22	устный
	Итого:	144	8	30	15	15	84

4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения

4.2.1. Лекции

1.Нелинейные САР (Н/САР), характерные нелинейности

Основные понятия. Статические и динамические нелинейности. Составление уравнений динамики Н/САР. Характерные нелинейные динамические звенья и их уравнения. Особенности динамического состояния Н/САР. Влияние начальных условий. Явление автоколебаний. Метод расщепления структуры Н/САР. Общий вид уравнений динамики линейной и «сильно» нелинейной подсистем Н/САР. Примеры САР с типовыми нелинейностями. Обобщенные координаты. Их связь с физическими переменными. Математическая модель динамики Н/САР в виде замкнутой системы дифференциальных уравнений первого порядка относительно обобщенных координат системы.

2. Точные методы исследования динамики Н/САР

Методы фазовых траекторий, точечных преобразований, припасовывания, сечений пространства параметров. Примеры для консервативных и неконсервативных систем второго и более высоких порядков.

Прямой метод Ляпунова. Теоремы Ляпунова об устойчивости и неустойчивости САР, в т.ч. Н/САР. Свойство достаточности теоремы об устойчивости Н/САР. Проблема отыскания функции Ляпунова. Примеры практического применения.

3. Приближенные методы исследования Н/САР, формализм метода гармонической линеаризации нелинейностей

Виды уравнений при статических и динамических нелинейностях. Принимаемый вид нелинейных зависимостей выходных переменных от входных в нелинейной подсистеме Н/САР. Ряды Фурье, их свойства. Процедура гармонической линеаризации нелинейного дифференциального уравнения. Физическая трактовка принимаемых допущений. Свойство фильтра линейной части Н/САР. Применение теории устойчивости линейных САР. Коэффициенты гармонической линеаризации статических характеристик и квазистатических нелинейных характеристик звеньев: релейных, с зоной нечувствительности и насыщением. Примеры из предметной области специальности.

4. Исследование устойчивости и автоколебаний гармонически линеаризованных Н/САР

Общие положения. Способы определения периодических решений. Основной аналитический метод и его обобщения. Графический и алгебраический способы отыскания периодических решений Н/САР. Установление устойчивости периодических решений. Использование полинома Михайлова. Аналитический критерий устойчивости периодических решений, примеры его применения из предметной области специальности. Устойчивость равновесного состояния системы. Области возможных динамических и установившихся состояний Н/САР. Варианты видов границ этих областей при различных практически существенных нелинейностях.

5. Дискретные САР (Д/САР) и способы модуляции импульсных сигналов

Понятие о дискретных САР. Преимущества Д/САР. Этапы преобразования непрерывного сигнала в импульсную последовательность. Квантование по времени и уровню. Структура и уравнения импульсных модуляторов. Структурная схема и уравнения действия Д/САР с амплитудно-импульсной, частотно-импульсной и широтно-импульсной модуляциями входного непрерывного сигнала. Области их применения. Структурные схемы Д/САР с импульсно-кодовой модуляцией, Д/САР с применением специализированных компьютеров, элементов струйной автоматики.

6. Разностные уравнения, Z – преобразование и его применение

Понятие импульсного фильтра. Решетчатые функции. Решетчатые аналоги первых и вторых производных непрерывных функций. Разностные уравнения. Z – преобразование. Единичная импульсная функция. Основные правила и теоремы Z – преобразования. Решение разностных уравнений. Примеры. Дискретно-передаточные функции. Исследование устойчивости Д/САР.

4.2.2. Практические занятия

№ 1. Установление устойчивости равновесного состояния Н/САР второго порядка методами фазовых траекторий, точечных преобразований и припасовывания.

№ 2. Решение задачи определения устойчивости Н/САР с нелинейной статической характеристикой гидроусилителя прямым методом Ляпунова.

№ 3. Определение и анализ коэффициентов в гармонически линеаризованных уравнениях динамики динамических звеньев с нелинейными расходными и перепадными статическими характеристиками.

№ 4. Рассмотрение задач отыскания периодических решений и установление условий их устойчивости в гидроприводных Н/САР с нелинейностями в виде зоны нечувствительности и насыщения.

№ 5. Построение областей возможных динамических состояний гидрофицированных САР линейных и с нелинейностями в золотниковом гидроусилителе в виде сухого трения и насыщения.

№ 6.Решение задач преобразования непрерывных сигналов в дискретные на основе широтно-, частотно- и амплитудно-импульсных модуляций.

№ 7. Нахождение передаточной функции и пример решения разностного уравнения на основе Z – преобразования для гидроприводной дискретной САР.

4.3. Лабораторные работы

№ 1. Компьютерное исследование динамики консервативной и диссипативной САР методом фазовых траекторий.

№ 2. Исследование устойчивости равновесного состояния гидроприводной системы стабилизации частоты вращения ротора гидротурбины с нелинейной статической характеристикой золотникового усилителя.

№ 3. Исследование зависимостей амплитуды и частоты периодических решений уравнений динамики гармонически линеаризованной САР от коэффициента усиления прямой цепи и постоянной времени регулируемого объекта.

№ 4. Отыскание и анализ областей динамического состояния гидравлической Н/САР с нелинейностями в виде сухого трения и насыщения.

№ 5. Преобразования в модуляторе Д/САР непрерывного входного сигнала в дискретный с фиксированными квантами по времени и уровню.

№ 6. Решение разностного уравнения для гидравлической Н/САР стабилизации частоты вращения ротора гидротурбины.

4.4. Расчетное задание

Повышение качественных показателей электрогидравлической САР сложного объекта.

4.5. Курсовые проекты и курсовые работы

Курсовой проект и курсовая работа учебным планом не предусмотрены.

5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Лекционные занятия проводятся в форме лекций с использованием презентаций и рисунков в виде слайдов и на электронных носителях. Студентам выдаются раздаточные материалы с используемыми рисунками и методические указания к освоению наиболее сложных разделов дисциплины в традиционном и электронном видах.

Практические занятия кроме традиционных форм проведения включают современные информационные технологии. При исследовании устойчивости переходных процессов Н/САР и Д/САР используются не нарушающие лицензионных условий программные продукты численного решения систем обыкновенных нелинейных и дискретных уравнений динамического состояния электрогидравлических систем регулирования объектов энергетического машиностроения.

Лабораторные работы выполняются на базе компьютерно-информационных технологий. Студенты исследуют фазовые траектории, режимы устойчивости равновесного состояния и автоколебаний Н/САР для гидрофицированных систем регулирования с типовыми нелинейностями, а также временные и частотные характеристики таких систем с импульсными динамическими звеньями.

Самостоятельная работа включает подготовку к лекционным занятиям, решение задач, подготовку и выполнение контрольной работы, подготовку к выполнению лабораторных работ и оформление отчетов по ним, подготовку и защиту расчетного задания, лабораторных работ, подготовку к зачету и экзамену.

6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Для текущего контроля успеваемости используется контрольная работа, устный опрос, защита расчетного задания, защита каждой выполненной лабораторной работы.

Аттестация по дисциплине – зачет и экзамен.

Оценка за зачет определяется как среднеарифметическая оценок за выполнение задач в рамках практических занятий, защиты лабораторных работ, расчетного задания и выполнения контрольной работы.

Оценка за освоение дисциплины, выносимая в приложение к диплому, определяется как оценка за экзамен.

7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

7.1. Литература:

а) основная литература:

Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. –М.:Наука, 1975. – 768 с.
Коломейцева М.Б., Беседин В.М., Ягодкина Т.В. Основы теории импульсных и цифровых систем. –М.: МЭИ, 2001. – 106 с.
Теория автоматического регулирования. Под ред. А.А. Воронова. –М.: Высшая школа, ч. 1, 1986. – 367 с., ч.2, 1986. – 504 с.
Моргунов Г.М., Попов А.М. Сборник зада по курсу «Теория автоматических систем». Нелинейные и дискретные системы. М.: МЭИ, 1997. – 87 с.
Моргунов Г.М., Попов А.М. Управление техническими системами: комплексные лабораторные работы/ Методическое пособие. – М.: МЭИ, 2004. – 32 с.

б) дополнительная литература:

1. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. –Учебн. пособие для Вузов. –М.: Наука, 1988. – 255 с.

2. Солодовников В.В. и др. Основы теории и элементы автоматического регулирования. –М.: Машиностроение, 1985. – 535 с.

3. Методические указания к типовому расчету по курсу «Теория автоматического управления». Зуев Ю.Ю., Моргунов Г.М. –М.: МЭИ, 1987. – 24 с.

7.2. Электронные образовательные ресурсы:

а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы.

Используются не нарушающие лицензионные условия проблемно-ориентированные программные продукты МОДОС-М, MATCAD, MATLAB, ссылка скрыта, htpp://3v-services.com/ru/, ссылка скрыта;

б) другие

Для углубленного усвоения отдельных частей дисциплины могут выборочно использоваться прграммные продукты Simulink, SystemBuild (d, Anylogic (Model Vision Studium), Simplorer.

CD – носители информации по дисциплине.

8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для обеспечения наиболее качественного освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами для представления презентаций лекций и показа учебных фильмов, слайдов на практических занятиях. Для проведения практических занятий должны использоваться действующие макеты гидрофицированных САР с нелинейными и импульсными динамическими звеньями.

Владение практическими навыками анализа и синтеза САР достигается при безусловном наличии современного компьютерно-информационного обеспечения в виде предметно ориентированных программных продуктов.

При чтении лекций, на практических занятиях и проведении лабораторных работ демонстрируются варианты физического исполнения характерных нелинейных и дисрктно действующих элементов гидрофицированных САР объектов энергетического машиностроения.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 141100 «Энергетическое машиностроение» и профилю «Автоматизированные гидравлические и пневматические системы и агрегаты».

ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:

д.т.н., профессор Моргунов Г.М.

"УТВЕРЖДАЮ":

Зав. кафедрой Гидромеханики и гидравлических машин

д.т.н., доцент Грибков А.М.

Blog

Рабочая программа учебной дисциплины "управление техническими системами (специальные главы)"

Содержание

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ